Därför är solid state-batterier så svåra att massproducera

Det är lite som att pressa två grova badrumsplattor mot varandra och förvänta sig att hela ytan ska ha perfekt kontakt. I en liten laboratoriecell går det att komma undan med mycket. I en stor battericell för en bil blir det genast betydligt svårare. Ju större cellen är, desto svårare är det att säkerställa jämn kontakt över hela ytan. Och i en elbil räcker det inte med en enda bra cell. Det krävs tusentals.

Batteriet måste hållas under tryck

Många solid state-celler fungerar bäst när lagren pressas hårt mot varandra. Trycket hjälper till att behålla kontakten mellan de fasta materialen och hålla motståndet nere. Men försök att överföra det till ett batteripaket i en bil.

Där måste hundratals celler hållas under ett exakt och jämnt tryck i åratal. De ska klara kyla, sommarvärme, vibrationer, snabbladdning, hårda accelerationer och vanligt slitage. För lågt tryck kan ge dålig kontakt. För högt tryck kan orsaka sprickor, deformation och mekanisk belastning.

BMW testar redan celler från Solid Power i en i7, men just testet visar hur omogen tekniken fortfarande är. BMW undersöker bland annat hur cellerna sväller, hur arbetstrycket ska styras och hur temperaturen ska kontrolleras. Det är inte detaljer som går att lösa med en mjukvaruuppdatering. Det handlar om batteriets mekaniska grundkonstruktion.

Artikeln fortsätter efter annonsen

Dendriter är fortfarande ett problem

Solid state-batterier beskrivs ofta som lösningen på litiumdendriter. Det är små nålliknande avlagringar som kan växa genom batteriet och i värsta fall orsaka kortslutning. Men de försvinner inte automatiskt bara för att elektrolyten är fast.

Forskning visar att litium fortfarande kan bilda filament och växa genom fasta elektrolyter, särskilt om det finns porer, sprickor, ojämnheter eller dålig kontakt i cellen. Problemet blir extra viktigt eftersom många solid state-konstruktioner använder anoder av litiummetall. De kan ge betydligt högre energitäthet än grafit, men är också mycket svårare att kontrollera under laddning.

Det är här drömmen om solid state möter den hårda fysiken. Ju mer aggressivt man vill pressa upp energitätheten, desto mer exakt måste allt annat i batteriet kontrolleras.

Varje material har sina egna problem

Det finns inte heller något magiskt solid state-material som löser allt. Sulfidelektrolyter kan leda litiumjoner effektivt, men de kan vara känsliga för fukt och kräva mycket kontrollerade tillverkningsmiljöer. Oxidelektrolyter kan vara stabilare, men är ofta hårda, spröda och svåra att få bra kontakt med. Polymerelektrolyter är enklare att arbeta med, men kan ha problem med ledningsförmågan vid normala temperaturer.

Det är därför vi hela tiden ser lovande genombrott i laboratorier utan att de omedelbart hamnar i elbilar. Ett material kan vara utmärkt på en punkt och dåligt på en annan. Hög energitäthet räcker inte om cellen spricker. Snabb jontransport hjälper inte om materialet är dyrt eller svårt att tillverka i tunna lager. Stabilitet räcker inte om batteriet bara fungerar inom ett snävt intervall av tryck och temperatur. I ett solid state-batteri måste allt fungera samtidigt.

Artikeln fortsätter efter annonsen

Massproduktion är det verkliga provet

Det svåraste är inte nödvändigtvis att bygga en cell som fungerar. Det svåraste är att bygga miljontals celler som fungerar likadant. För användning i bilar måste battericeller tillverkas snabbt, billigt och med ytterst små felmarginaler. Solid state-celler kräver ultratunna och jämna lager av fast elektrolyt. Där får inte finnas nålhål, damm, fukt, klumpar, sprickor eller variationer i tjockleken. Det är skillnaden mellan att baka en perfekt sufflé och att baka 100 000 identiska suffléer i timmen.

Fraunhofer pekar på att tillverkning av solid state-batterier kan kräva torra rum eller inert gas under stora delar av processen. Det är dyrt. Samtidigt kan kassationsgraden bli hög när produktionen skalas upp, och varje defekt cell innebär bortkastat material, tid och pengar.

Inom batteritillverkning är ”yield” ett nyckelbegrepp. Det beskriver hur stor andel av produktionen som faktiskt går att sälja. Fabriker för vanliga litiumjonbatterier har finjusterats under flera decennier. Tillverkningen av solid state-batterier är fortfarande betydligt mindre mogen. Små variationer i ytor, tryck, beläggningstjocklek eller hur partiklarna packas kan resultera i celler som beter sig olika. Och i en elbil är ”nästan likadana” inte tillräckligt bra.

Fabrikerna måste byggas om

En annan missuppfattning är att solid state-batterier bara kan stoppas in i samma produktionslinjer som dagens litiumjonceller. Så enkelt är det inte.

Det krävs nya processer, nya materialflöden, nya kvalitetskontroller och i många fall helt nya maskiner. Även leveranskedjorna måste byggas upp. Toyota och Idemitsu arbetar exempelvis inte bara med själva batteriet, utan också med massproduktion av fasta elektrolyter och en stabil försörjningskedja.

Artikeln fortsätter efter annonsen

Toyotas koncernchef Koji Sato har sagt att de fasta elektrolyterna ”hold the key” till kommersialiseringen av solid state-batterier. Han har också pekat ut hållbarheten som den största utmaningen: upprepade laddningar och urladdningar kan skapa sprickor mellan elektroderna och den fasta elektrolyten. Det är själva kärnan i problemet. Batteriet ska inte bara imponera i ett diagram. Det måste hålla under en hel bils livslängd.

Därför kommer tekniken först i dyra bilar

Solid state-batterier lär knappast göra debut i billiga familjebilar. När tekniken väl når marknaden kommer den sannolikt först att dyka upp i dyra modeller, specialbilar eller begränsade serier. Det är logiskt. Där kan tillverkarna acceptera lägre volymer, dyrare material och mer komplicerad produktion. Den stora vinsten kommer först senare, om tillverkningen blir tillräckligt stabil för höga volymer och låga priser.

CATL, världens största batteritillverkare, har också tonat ned förväntningarna. Företaget arbetar självt med tekniken, men bedömer att det blir svårt att få ut solid state-batterier i miljontals bilar före 2030. Det är värt att komma ihåg nästa gång en rubrik lovar elbilar med 1 000 kilometers räckvidd och fem minuters laddning precis runt hörnet.

Miraklet är inte dött – det är bara svårt

Solid state-batterier kan fortfarande bli ett stort tekniskt språng. De kan ge högre energitäthet, bättre säkerhet och snabbare laddning. Men de är ingen enkel ersättare för dagens batterier.

De kräver perfekt kontakt mellan fasta material. De måste tåla tryck, värme, kyla och rörelser. De måste hålla dendriterna borta. De ska kunna tillverkas i tunna, felfria lager. De måste hålla för tusentals laddcykler. Och de måste kunna produceras till ett pris som kan konkurrera med batterier som redan tillverkas i enorma volymer.

Det är därför solid state-batterier är så svåra att massproducera.

Inte för att idén är dålig. Utan för att kemi, mekanik och industri måste fungera samtidigt. Först då kan laboratoriets drömbatteri bli något som vanliga bilköpare faktiskt får nytta av.

Tack för att du läser. Tyckte du att artikeln var värd att läsa? Ge den en gilla-markering så hjälper du andra läsare att hitta den. Levde den inte upp till dina förväntningar kan du också ge den en ogilla-markering. Tack för din bedömning.